Utilizando el telescopio espacial James Webb (JWST), los astrónomos han descubierto cúmulos de estrellas en el arco de «gemas cósmicas» que existieron sólo 460 millones de años después del Big Bang. Se trata del primer descubrimiento de cúmulos de estrellas en una galaxia recién nacida, como ocurría cuando el universo de 13.800 millones de años tenía menos de 500 millones de años.
El Arco de la Gema Cósmica, descubierto inicialmente por el Telescopio Espacial Hubble y oficialmente llamado SPT0615-JD1, es una galaxia infantil con lentes gravitacionales a unos 13.300 millones de años luz de la Tierra. Esto significa que la luz de esta galaxia, vista por el Telescopio Espacial James Webb, viaja a la Tierra durante aproximadamente el 97% de la vida del universo.
El equipo internacional de astrónomos detrás del descubrimiento ha encontrado cinco cúmulos de estrellas jóvenes y masivos en el arco de gemas cósmicas. Estos cúmulos existieron durante el período en que las galaxias jóvenes experimentaban intensos estallidos de formación estelar y emitían enormes cantidades de luz ultravioleta. Esta radiación puede ser responsable de desencadenar una de las dos fases principales de la evolución del universo: la era de la reionización cósmica.
El estudio de estos cinco cúmulos de estrellas puede enseñar mucho a los astrónomos sobre este período temprano del universo.
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«Fue una sorpresa y un asombro increíbles cuando abrimos las imágenes del JWST por primera vez», dijo Angela Adamo, de la Universidad de Estocolmo y del Centro Oscar Klein en Suecia, líder del equipo. Dijo en un comunicado. «Vimos una pequeña serie de puntos brillantes reflejándose de lado a lado: ¡estas gemas cósmicas son cúmulos de estrellas! ¡Sin el Telescopio Espacial James Webb, no hubiéramos sabido que estábamos observando cúmulos de estrellas en una galaxia tan joven!»
Los cúmulos de estrellas recién descubiertos en el Arco de Piedras Cósmicas son notables por su naturaleza masiva y densa. La densidad de los cinco cúmulos de estrellas es mucho mayor que la densidad de los cúmulos de estrellas cercanos.
Una mano amiga de Einstein
La época de la reionización es muy importante porque fue la fase en la que las primeras fuentes de luz del universo (las primeras galaxias, estrellas y quásares supermasivos impulsados por agujeros negros) proporcionaron la energía que separó los electrones del hidrógeno neutro que llenaba el universo. .
Los cúmulos de estrellas recién descubiertos están ubicados en una región muy pequeña de su galaxia, pero son responsables de la mayor parte de la luz ultravioleta proveniente de esa galaxia, lo que significa que cúmulos como estos pueden haber sido el principal impulsor de la reionización.
Al estudiar la reionización, los científicos pueden aprender más sobre los procesos que forman estructuras a gran escala en el universo. Esto podría revelar cómo la distribución notablemente suave de la materia durante las primeras épocas cósmicas dio paso al universo altamente organizado de galaxias (y cúmulos de galaxias) que los astrónomos ven en épocas cósmicas posteriores.
Más específicamente, estos cinco cúmulos estelares tempranos pueden explicar dónde se formaron las estrellas y cómo se distribuyeron durante la creación del universo. El equipo de estudio dice que esto brinda una oportunidad única para estudiar la formación de estrellas, así como el funcionamiento interno de las galaxias nacientes a una distancia sin precedentes.
«La increíble sensibilidad y resolución angular del telescopio espacial James Webb en longitudes de onda del infrarrojo cercano, combinadas con las lentes gravitacionales proporcionadas por el enorme cúmulo de galaxias en primer plano, hicieron posible detectar esto», dijo Larry Bradley, investigador principal del programa de observación que capturó los datos, dijo en el comunicado este descubrimiento. . «Ningún otro telescopio puede hacer este descubrimiento».
Para ver estos objetos distantes tal como eran en el universo primitivo, el Telescopio Espacial James Webb utiliza un principio de la teoría de la gravedad de Einstein en 1915: la relatividad general.
La relatividad general sugiere que los objetos con masa distorsionan la estructura del espacio y el tiempo, que se combinan como una entidad de cuatro dimensiones llamada «espacio-tiempo». Cuanto mayor es la masa de un objeto, mayor es la distorsión del espacio-tiempo que provoca.
Cuando la luz de las fuentes de fondo pasa a través de este giro, su trayectoria se vuelve curva. Cuanto más cerca está la luz del objeto torcido, más curva se vuelve su trayectoria. Como resultado, la luz de un solo objeto puede llegar a un observador, como el Telescopio Espacial James Webb, más de una vez y en diferentes momentos.
Esto significa que las fuentes de luz pueden aparecer en varios lugares de la misma imagen, mover sus posiciones a posiciones obvias o, lo que es más útil, amplificar su luz. Este último fenómeno se denomina «lente gravitacional», donde el objeto entre un objeto de fondo distante y la Tierra se denomina «objeto de lente».
En este caso, el objeto lente es un cúmulo de galaxias lentes llamado SPT-CL J0615-5746, y los objetos de fondo son las gemas cósmicas, sus cúmulos de estrellas y dos galaxias lentes distantes.
«¡Lo que tiene de especial el Arco de la Joya Cósmica es que gracias a las lentes gravitacionales, podemos resolver la galaxia hasta escalas de pársec!» dijo Adamo.
¿Cómo encajan los cúmulos globulares?
Un estudio de seguimiento prometedor que surgió de las observaciones de los primeros cúmulos estelares realizados por el Telescopio Espacial James Webb se refiere a cómo se forman las disposiciones de las estrellas, llamadas «cúmulos globulares». Como vemos en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, los cúmulos globulares son antiguos restos de intensos estallidos de formación estelar en el universo temprano.
Los científicos no están del todo seguros de cómo se unen estos cúmulos globulares de estrellas estrechamente unidas y gravitacionalmente, pero puede ser significativo que los cúmulos de estrellas jóvenes, densos y masivos en el arco de gemas cósmicas sean las primeras etapas de la formación de cúmulos globulares. Esto significa que podrían proporcionar una ventana increíblemente útil a las primeras etapas del nacimiento de los cúmulos globulares.
Estos cúmulos de cinco estrellas también pueden ayudar a comprender otros aspectos de la evolución cósmica.
“Las altas densidades estelares encontradas en los cúmulos nos proporcionan la primera indicación de los procesos que ocurren dentro de ellos, brindando nuevos conocimientos sobre la posible formación de estrellas muy masivas y las semillas de agujeros negros, ambos importantes para la evolución de las galaxias. .” Él dijo.
El estudio del Arco de la Joya Cósmica continuará con el equipo detrás de esta investigación que ya planea observar esta galaxia temprana utilizando los instrumentos del Espectrómetro de Infrarrojo Cercano (NIRSpec) y el Instrumento de Infrarrojo Medio (MIRI) de JWST durante el tercer ciclo de las operaciones de $10 del telescopio espacial. . Billones de dolares. .
«Las observaciones de NIRSpec nos permitirán confirmar el corrimiento al rojo de la galaxia y estudiar la emisión ultravioleta de los cúmulos de estrellas, que se utilizará para estudiar sus propiedades físicas con más detalle», dijo Bradley. «Las observaciones MIRI nos permitirán estudiar las propiedades del gas ionizado».
Estas observaciones espectroscópicas deberían revelar cuán intensa es la formación de estrellas en los sitios activos de esta joven galaxia.
Los astrónomos detrás de este estudio ahora también pretenden estudiar otras galaxias para buscar cúmulos de estrellas similares a estos cinco.
«Estoy seguro de que hay otros sistemas como este esperando ser descubiertos en el universo temprano, lo que nos permitirá avanzar en nuestra comprensión de las galaxias tempranas», dijo el miembro del equipo Eros Vanzella del Instituto Nacional de Astrofísica (INAF).
La investigación del equipo fue publicada el lunes (24 de junio) en la revista Nature.
